di fronte alla materia in un nuovo stato Joseph John Thomson di fronte alla materia in un nuovo stato

Joseph John Thomson nacque a Cheetham Hill, a sobborgo di Manchester (in Inghilterra), il 18 dicembre del 1856. Nel 1876 J. J. vinse la borsa di studio per il Trinity College e nel 1880 fu il secondo della propria classe (dopo Joseph Larmor) nell'estenuante gara degli esami di matematica.

Gli studenti della Cambridge University di solito lavoravano con dei tutor privati per prepararsi al "Tripos", un esame noto per essere particolarmente difficile. In questa fotografia sono ripresi gli studenti del tutor E. J. Routh nel 1879. Thomson è il primo sulla destra dei quattro dell'ultima fila, davanti alla porta; Larmor è il primo sulla sinistra della stessa fila.

H. F. Newall, uno dei primi assistenti del giovane professore Thomson presso il Cavendish Laboratory (che diresse dal 1884 dopo Maxwell e Lord Rayleigh) scrisse: "J.J. was very awkward with his fingers, and I found it very necessary not to encourage him to handle the instruments! But he was very helpful in talking over the ways in which he thought things ought to go."

Attorno agli anni Novanta, J. J Attorno agli anni Novanta, J.J. Thomson si dedicò al miglior lavoro della propria vita, uno studio originale sui raggi catodici, che culminò nella scoperta dell'elettrone, che fu annunciata in una conferenza serale al Royal Institution, il 30 aprile del 1897.

Il contesto «Alla base di questo scetticismo non era tanto uno spirito di contraddizione quanto il fatto che nessuno aveva visto un atomo, e anche oggi nessuno li ha visti nel senso ordinario del verbo vedere, per quanto le prove della loro esistenza siano assai più convincenti di quelle dell'esistenza di oggetti o fenomeni veduti da molti, come certi miracoli o dischi volanti.» (Segrè)

Un pennello di raggi catodici emesso dal catodo C e focalizzato in A e B passa tra gli elettrodi D ed E fra cui esiste un campo elettrico. Un campo magnetico viene creato da bobine esterne al tubo ed è perpendicolare al campo elettrico.

Gli elettrodi generati dal catodo A possono essere deviati da un magnete esterno e portati nel pozzo di Faraday, dove se ne misura la carica totale.

Materia in un nuovo stato «Gli esperimenti presentati in questo scritto sono stati fatti nella speranza di ottenere alcune informazioni sulla natura dei raggi catodici. Su questi raggi sono state sostenute le più diverse opinioni; secondo l'unanime opinione dei fisici tedeschi essi sono dovuti a qualche processo nell'etere che non è però analogo ad alcun altro fenomeno fino ad oggi osservato - dal momento che in un campo magnetico uniforme essi seguono un percorso circolare e non rettilineo; un altro punto di vista su questi raggi è quello secondo il quale, lontani dall'essere eterei, essi sono in realtà del tutto materiali ed indicano il cammino di particelle di materia carica di elettricità negativa...

… A prima vista sembrerebbe che non dovrebbe essere troppo difficile decidersi tra due opinioni così contrastanti, ma l'esperienza dimostra che non è così, dato che tra i fisici che hanno studiato questo soggetto a fondo si trovano sostenitori di entrambe le teorie. La teoria delle particelle elettricamente cariche ha per scopo di ricerca un grande vantaggio rispetto alla teoria dell'etere, dal momento che è definita e le sue conseguenze possono essere previste; con la teoria dell'etere, invece, è impossibile prevedere che cosa succederà sotto certe circostanze, dal momento che in questa teoria si ha a che fare con fenomeni a tutt'oggi mai osservati nell'etere, dei quali ignoriamo ogni legge. I seguenti esperimenti furono fatti per provare alcune delle conseguenze della teoria delle particelle elettricamente cariche.»

«Dal momento che i raggi catodici trasportano una carica elettrica negativa, che sono deviati da una forza elettrostatica come se fossero negativamente carichi e che si comportano sotto l'effetto di una forza magnetica esattamente come se questa forza agisse su un corpo carico negativamente che si stesse muovendo lungo il cammino dei raggi, non trovo altra via d'uscita se non il concludere che essi sono cariche elettriche negative trasportate da particelle di materia. Sorge a questo punto un'altra domanda: che cosa sono queste particelle? sono atomi, o molecole, o materia in un ancor più fine stato di suddivisione? Per illuminare un poco le cose, ho fatto una serie di misure del rapporto tra la massa di queste particelle e la carica da esse trasportata. Per determinare questa quantità, ho utilizzato due metodi differenti.»

«La spiegazione che mi pare tener conto nel modo più semplice e diretto dei fatti è fondata su una visione della costituzione degli elementi chimici che è stata favorevolmente presa in considerazione da molti chimici: che gli atomi dei diversi elementi chimici siano differenti aggregazioni di atomi dello stesso tipo. Nella forma in cui questa ipotesi fu enunciata da Prout, gli atomi costitutivi dei diversi elementi erano atomi di idrogeno; l'ipotesi non può reggere in questa precisa forma, ma se sostituiamo all'idrogeno una sconosciuta sostanza primordiale X, non c'è nulla di noto che contraddica questa ipotesi, che è stata recentemente appoggiata da Sir Norman Lockyer per ragioni derivanti dallo studio degli spettri stellari...

… Se, nell'intenso campo elettrico in prossimità del catodo, le molecole del gas venissero dissociate e suddivise non negli ordinari atomi chimici, bensì in questi atomi primordiali che per brevità chiameremo corpuscoli; e se questi corpuscoli fossero elettricamente carichi e venissero proiettati dal catodo a causa del campo elettrico, essi si comporterebbero esattamente nello stesso modo dei raggi catodici. Essi evidentemente fornirebbero un valore del rapporto m / e che è indipendente dalla natura del gas e dalla sua pressione, perché i portatori di carica sarebbero gli stessi, qualsiasi fosse il gas.»

«Così, in quest'ottica, nei raggi catodici siamo in presenza di materia in un nuovo stato, uno stato in cui la suddivisione della materia è condotta ben oltre quella dell'ordinario stato gassoso: uno stato in cui tutta la materia - cioè la materia derivanti da fonti diverse, come l'ossigeno, l'idrogeno, ecc. - è di un unico tipo; e questa materia è la sostanza con cui sono costruiti tutti gli elementi chimici. Con strumenti di grandezza ordinari, la quantità di materia prodotta per mezzo della dissociazione sul catodo è così piccola che è quasi impossibile lo studio chimico diretto delle sue proprietà. Così, ho calcolato che la bobina che ho utilizzato produrrebbe, se tenuta in funzionamento ininterrottamente giorno e notte per un anno, solo circa 1/3000000 g di questa sostanza...

… L'esiguità del valore del rapporto m / e è, secondo me, dovuta sia alla enormità di e sia alla scarsità di m. Mi sembra che ci siano prove del fatto che le cariche trasportate dai corpuscoli negli atomi siano molto grandi se paragonate a quelle trasportate dagli ioni di un elettrolita.» J. J. Thomson, Philosophical Magazine, 44, 293 (1897).